基于GIS的煤矿多系统区域联动设计

2021-08-31邢少妹

科技经济导刊 2021年22期

邢少妹

(国能信息技术有限公司，北京100011)

自2010年开始国家要求煤矿必须建设包括安全监控系统在内的井下安全避险“六大”系统后，各煤矿普遍都建设了程控调度、安全监控、人员定位、广播系统、无线通信等各类通信和安全保障系统，这些系统在煤矿安全生产、调度指挥、抢险救援等方面发挥着重要的作用，但普遍存在的问题是各系统相互独立、资源不能共享，无法联动控制，导致在灾害发生时，不能快速有效的发挥各系统间的应急联动作用。为提高煤矿安全监控系统准确性、灵敏性、可靠性、稳定性和易维护性，增强煤矿安全保障能力，国家煤矿安监局于2016年12月发布煤安监函〔2016〕5号文《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》，明确要求要实现安全监控与人员定位系统、应急广播的多系统融合及应急联动，可见多系统的融合及应急联动是煤矿安全监控发展的必然趋势。针对上面的要求，本文结合煤矿井下实际复杂的生产环境，提出基于GIS实现安全监控系统与人员定位系统、应急广播系统的区域联动设计方案。

1.系统联动场景分析

安全监控系统要实现与人员定位系统、应急广播系统的联动，就要改变过去各系统相互独立运行，各看各的监控画面、信息不能互通、应急无法联动的状况，要让监控人员在统一的监控平台中同时看到安全监控数据、人员分布情况、应急广播设备情况。除了监控井下瓦斯超限、主通风机报警、局部通风机报警外，还应能同时监控定位分站超员、人员超时、人员呼救等报警信息。一旦发生瓦斯超限等危险报警事件时，能在系统中快速定位到报警点并高亮闪烁，提供醒目、直观的画面展示报警点波及区域的人员及应急广播设备分布情况，并能自动通过人员定位仪及广播设备通知报警波及区域的人员尽快撤离升井，从为保护矿工生命及财产安全争取宝贵时间。

2.基于GIS的多系统联动总体设计

要把安全监控系统、人员定位系统、应急广播系统这三个相互独立的系统融合成一个有机整体，需要借助GIS这个很好的载体。空间数据分析是GIS的核心功能，它能够通过对基础数据的分析并叠加其影响来量化解决与空间相关的实际问题，包括栅格、矢量数据分析和网络分析。GIS的最大优势是可以把原本孤立的物体通过空间位置关系关联在一起，提供集中的动态监控，并可通过动态空间分析能力为我们提供预警预测能力。基于GIS空间关系，可以把井下复杂环境分成多各重点区域，如采煤工作面、掘进工作面等，各区域都标绘出所安装的安全监控分站、安全检测传感器、人员定位分站及应急广播设备。多系统区域联动总体框架如图1所示：

图1 多系统区域联动总体框架

基于GIS的多系统空间整合：考虑到目前一般的煤矿Web信息系统对图形分析功能要求不高，而且大多采用Java平台开发，为保证程序的兼容性和快速开发需求，选择GeoServer作为地图服务发布和管理平台。它采用了瘦客户端技术，不需要下载和安装特殊的控件，通过在服务器端将请求内容生成图片发送到客户端来显示地图，所有的地图生成与分析功能都放在服务器端实现，保证了图形快速浏览要求，降低了对网络带宽的要求。地图客户端采用OpenLayers来进行地图服务展示，并运行在Rest Web Service平台上，采用Mush Up多源数据融合技术，能提供基本的地图漫游、图层叠加、属性查询等功能，利用地图瓦片技术实现地图客户端动态加载，并在此基础上封装成标准GIS组件、高级GIS组件，同时提供应用开发API供其他应用系统调用。GIS具有图层管理功能，支持对图形信息进行分层存放、分层管理和分层操作。安全监控分站、安全监测传感器、人员定位分站及应急广播设备作为独立的资源分别存放在GIS的不同图层中，各图层可单独管理也可统一管理。

数据接口服务：数据接口服务程序实时采集安全监控系统、人员定位系统、应急广播系统设备状态及监测信息，其中安全监控系统包括分站基本信息、传感器基本信息和实时监测值及报警故障信息，人员定位系统信息包括定位分站基础信息、人员井下实时位置信息、人员呼救信息，应急广播系统信息包括广播设备信息、状态信息，这些系统的设备信息是没有空间位置属性的，要想将这些设备信息在同一空间坐标体系中进行展示，通过基于Web的可在线标绘位置方式，将这些设备信息分层标绘在采掘工程平面图上，这些设备在空间上就存在了关联，实现整体的集中监控，解决了各系统孤立运行监控的问题。

区域联动机制：应急联动区域配置提供一种可灵活触发并快速有效联动的机制，配置内容包括两方面，一方面是要配置属于区域的相关设备，包括传感器、定位分站及广播设备；另一方面是配置该区域的联动策略，也就是发生什么样的报警或故障情况需要让区域高亮闪烁通知监控人员，或者在具备什么样的断电闭锁条件时要迅速通知相关人员撤离。区域设备配置方面，当井下发生异常情况时，需要根据灾害可能波及的区域通知相关人员撤离。通过GIS空间分析技术可以快速查找出报警点指定半径范围内的人员及广播设备，但这种查找结果比较粗放且会存在遗漏的情况，因为井下环境非常复杂，不同区域间相互也会有影响，而且受井下风流影响，气体容易发生扩散，因而我们对区域设备的配置采取GIS自动检索加人工选取的方式，也就是在地图中绘制出一个需要联动的封闭区域后，GIS 会根据空间位置关系自动检索出该区域内的设备，同时再结合井下实际环境把封闭区域外的设备选取进来也所为该区域的设备。区域设备包括安全监控传感器、人员定位分站、应急广播，其中安全监控传感器作为区域联动的触发报警源，也就是属于这个区域内的传感器一旦发生报警或故障，系统不管在任何监控画面，都会自动定位到地图中并高亮显示该区域；区域内的人员定位分站及应急广播是区域应急联动的通知目标，当区域内的安全监控传感器发生断电闭锁、风电瓦斯闭锁或者煤与瓦斯突出闭锁条件时，系统自动给区域内的人员定位仪发送声光报警，同时给区域内的广播设备播报撤离通知。区域联动策略配置方面，联动策略配置包括区域通知条件及区域撤离条件，区域通知包括报警或设备故障情况，如果选择了报警或故障的通知条件，则该区域内的传感器只要发生包括瓦斯超限报警、四级风机同时停止报警、主备风机同时停止报警、风门关联同时打开报警情况，或者区域内的传感器发生故障情况，就会自动触发区域报警通知。本文参照 AQ 6201-2017《煤矿安全监控系统通用技术要求》，对断电闭锁、甲烷风电闭锁、煤与瓦斯突出闭锁（包括掘进工作面、采煤工作面）的控制条件要求进行了梳理，归纳出不同闭锁条件所要求的关联传感器，并在断电闭锁控制条件中设置对应的传感器配置项。比如有一项断电闭锁是这样要求：“掘进工作面甲烷传感器故障或监测到的甲烷浓度迅速升高（△CH4/△t达到或超过设定值）或达到报警值（1.0%CH4），掘进巷道回风流甲烷传感器监测到的甲烷浓度迅速升高（△CH4/△t达到或超过设定值）或达到报警值（1.0%CH4），掘进巷道回风流风速传感器监测到的风速不低于正常值，发出煤与瓦斯突出报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下相关区域全部非本质安全型电气设备电源”，通过分析可看出，此项断电闭锁条件是非常严格的，涉及到掘进面的甲烷传感器、掘进巷道回风流的甲烷传感器以及掘进巷道回风流风速传感器这三类不同位置的传感器的监测变化情况要求，在煤与瓦斯突出闭锁（掘进工作面）撤离通知中，就可配置与区域相关的掘进面甲烷传感器、回风流甲烷传感器、回风流风速传感器，区域联动后台服务根据配置情况实时监控是否满足区域的撤离通知并执行相应的联动响应。

3.多系统联动功能设计

一是系统设备标绘。在煤矿采掘工程平面图上，按不同的图层分别标绘安全监控系统、人员定位系统、应急广播系统的设备位置，不同系统的设备用不同的图标进行区分。标绘操作简单易行，只需在地图中选择需要标绘的位置点，并关联对应的设备编码信息就可操作完成。尚未在地图上标绘的设备信息在图中右边列表以红色现实，已标绘的以黑色显示，对于已经标绘的设备通过双击列表能直接定位到地图中。二是区域联动配置。只要在地图中快速绘制出一个封闭区域，系统就能利用GIS空间分析能力自动搜索出区域内的安全监测传感器、人员定位分站以及应急广播设备，比如可以配置掘进工作面或上隅角区域。然后再通过勾选就能快速配置处区域报警或故障的通知条件，以及断电闭锁、风电瓦斯闭锁、煤与瓦斯突出闭锁的撤离条件。三是区域联动响应。在正常情况下，可通过图形实时监控井下气体浓度、主备风机运行情况、人员分布情况、设备运行状况，一旦发生瓦斯超限报警或断电闭锁等紧急情况，系统自动跳转到联动区域画面，高亮显示报警点及联动区域，并快速给区域内人员的定位卡发出声光报警，通知人员迅速撤离，同时给区域内的应急广播设备播报撤离通知及撤离路线，通知到的人员及广播设备在地图上也闪烁高亮显示，快速实现了多系统间的自动联动响应。

4.系统应用效果

本文设计的多系统区域联动设计方案，在神东某矿试点应用后，取得较好的联动效果。系统实时监测井下甲烷、一氧化碳等气体浓度及主备风机运行状态，一旦发现异常，立即借助区域空间位置关系快速分析出报警区域的人员分布及应急广播分布情况，下达紧急指令提醒区域内人员，控制报警区域的广播播报紧急撤离通知，有效保护井下人员的生命安全。